Diffraction gratings

Optical dispersive elements · Litrófsgreining · Lasers · Telecom · Heimild: PhotonLab

Diffraction rist eru lykilhlutir í optískum notkunarmöguleikum, þar á meðal litrófsmælum, öðrum greiningartækjum, fjarskiptum og leysikerfum. Rist inniheldur smásæja reglubundna grópbyggingu sem skiptir innfallsljósi niður í margar geislabrautir í gegnum dreifingu, sem veldur því að ljós af mismunandi bylgjulengdum breiðist út í mismunandi áttir. Þetta gerir dreifingarrist virka svipað og dreifiprisma, þó að prisma aðgreini bylgjulengdir með bylgjulengd-háð ljósbroti frekar en dreifingu (Mynd 1).

Mynd 1. Dreifandi prisma aðskilur bylgjulengdir með ljósbroti (efst), en sveiflurist aðskilur bylgjulengdir með broti vegna yfirborðsbyggingar (neðst).

Ljós sem fellur á rist er sveigð samkvæmt ristjöfnunni:

Hér,mer heiltala sem lýsir diffraction (eða litrófsröð)λer bylgjulengd ljóss,der bilið á milli rifa á ristinni, er innfallshornið, og er dreifða horn ljóssins sem fer frá ristinni. Uppbyggileg truflun á mismunandi dreifðum bylgjusviðum á sér stað við heiltölu margfeldi bylgjulengdarinnar, þess vegna kemur „m“ fyrir í jöfnu (1).mskilgreinir diffraktionsröðina:m= 1 er kallað fyrstu-beygingarleið,m= 2 er 2.-reglur diffraktion, og svo framvegis (Mynd 2). Efm= 0, ljósið endurkastast annað hvort beint frá ristinni eða berast í gegnum það, allt eftir því hvort um er að ræða speglun eða útsendingarrist; þetta er kallað núll-röð diffraktion. Ólíkt dreifiprisma eru styttri bylgjulengdir alltaf nær beinu endurkasta eða sendu ljósi-í þessu tilviki, 0. röð. Einhver skörun er á milli mismunandi skipana. Öll horn eru mæld frá rist normal (hornrétt á rist).

Mynd 2. Sumt ljós endurkastast beint sem 0.-stigsdreifing, en aðrir hlutar innfallsljóssins eru dreifðir í fyrstu-horna eftir bylgjulengd. Minni magn er aðskilið í hærra-horni 2.- og 3.-beygjuröð.

Hvað á að hafa í huga þegar þú velur grind

Þegar rist er valið er mikilvægt að tilgreina bylgjulengdarsviðið, logabylgjulengdina (bylgjulengdin sem er með mesta skilvirkni í diffracted litrófinu) og logahornið. Bláshornið lýsir fyrsta-beygjuhorni logabylgjulengdarinnar. Við þetta horn og í jöfnu (1) eru jafnir og innfallsljósið sveigist aftur í þá átt sem það kom úr. Þetta ástand er einnig kallað Littrow stillingar. Að vinna nálægt þessu horn gefur mesta skilvirkni.

Groove density, eða Groove frequency, er venjulega tilgreindur. Það er andhverfa grópbilsinsd. Lykileiginleiki ljóskerfis er dreifing þess, en það fer bæði eftir eiginleikum ristarinnar og hvernig ristið er notað. Án annarra kerfisupplýsinga er ekki hægt að úthluta rist eitt og sér reglu eins og "ákveðinn snúningur samsvarar ákveðinni bylgjulengdaraðskilnaði." Einnig er hægt að tilgreina upplausnarmátt ristar og tengist það litrófsupplausn kerfisins. Hins vegar er þessi upplausn háð bæði ristinni og inn- og útgöngurofum kerfisins. Upplausnarmáttur ristarinnarRfer eftir litrófsröðinnimog fjölda rifa undir lýsinguN:

Venjulega eru svo margar rifur upplýstar að inngangs- og útgöngurufurnar-ekki grindin-takmarka kerfisupplausnina. Einnig er hægt að nota skilvirkniferla til að sannreyna sveiflustigið yfir allar bylgjulengdir sem notaðar eru í forritinu.

Rist ætti að vera að minnsta kosti jafn stórt og innfallandi ljóskeila eða geisli; annars tapast ljós frá brúnum. Þess vegna ætti rist alltaf að vera undirfyllt til að koma í veg fyrir að flökkuljós skoppist um kerfið og gefi fölsk merki.

Tegundir grindar

Reflection gratings vs. Sendingarristar

Tveir breiðustu flokkarnir eru endurskinsrist og flutningsrist. Myndir 1 og 2 sýna endurskinsrist: í meginatriðum spegla með smásjárrifum. Allar dreifðar röð endurspeglast frá ristinni í mismunandi sjónarhornum. Geislunarrist er eins og linsa með smásæjum rifum: allar dreifðar raðir fara í gegnum ristina, en eru á móti hornunum sem gefin eru upp í jöfnu (1).

Regluð rist vs. hólógrafísk rist

Bæði endurskins- og flutningsristum er hægt að skipta frekar í strikað rist og hólógrafískt rist, sem eru mismunandi eftir því hvernig raufsniðin verða til. Í ristuðum ristum eru rifur vélrænt grafið eða skorið í íhlutinn. Í hólógrafískum ristum eru rifur teknar fyrir sjónrænt: ljósnæmt efni sem kallast photoresist er sett á undirlag og verður fyrir sjóntruflunarmynstri. Ljósviðnámið sem eftir er er síðan fjarlægt á efnafræðilegan hátt og skilur eftir rifamynstrið. Stöðluð rist hafa venjulega þríhyrningslaga rifa (Mynd 3), en hólógrafísk rist hafa venjulega sinusoidal rifa (Mynd 3 og 4).

Mynd 3. Stöðluð dreifingarrist hafa venjulega þríhyrningslaga rifa. Ör á rist: átt að loga.

Mynd 4. Hólógrafísk dreifingarrist eru venjulega með sinuslaga rifum.

Echelle gratings

Echelle-rist einkennist af stærra rifabili eða lægri raufþéttleika en venjulegt ristir -venjulega um 10×, og stundum allt að 100×. Lýsing á hnakkarist í háu innfallshorni ( ) framleiðir mikla dreifingu, háa upplausn og skilvirkni háð lítilli skautun. Þessar rist henta vel fyrir forrit sem krefjast mikillar upplausnar, eins og viðkvæm stjarnfræðileg tæki og kerfi sem sækjast eftir kjarnaupplausn -.

Plane gratings vs íhvolfur gratings

Allar ofangreindar gerðir rista má frekar skipta í sléttrist og íhvolft rist, sem lýsir heildarformi þeirra. Fluggrind eru flöt og algengari. Ef rifurnar eru beinar og með jöfnum millibili, ristið er flatt og innfallsljósið er safnað saman, þá helst allt dreifða ljósið saman. Þetta er gagnlegt í mörgum forritum vegna þess að fókuseiginleikar kerfisins verða óháðir bylgjulengd. Samanborið við íhvolfa rist draga fluggrind líka venjulega úr flækjustigi kerfisins. Íhvolfa rist eru bogin, þannig að þau annað hvort renna saman eða víkja frá ljósi. Þetta er gagnlegt til að fækka heildarfjölda ljóshluta í kerfi, en fókuseiginleikar eru þá háðir bylgjulengd.

Gripumsóknir

Einlitar

Einlitunartæki notar íhvolft eða fluggrind ásamt speglum til að velja þröngt band úr innfallsljósinu. Ef hvítur-ljósgjafi fer inn í slíkt tæki, síar hann út allar bylgjulengdir nema ætlað þröngt úttakssvið. Mynd 5 sýnir hvernig einlitunartæki snýr ristinni þannig að mismunandi bylgjulengdir fara í gegnum útgönguslitina á meðan allar aðrar bylgjulengdir eru lokaðar.

Mynd 5. Plane-einlitningsrafari (efst) og íhvolfur-einlitningsrafari (neðst) snúa báðir ristinni til að skanna diffraktionsröð yfir útgangsrofina og ákvarða nákvæmlega hvaða bylgjulengdir mega fara úr tækinu.

Litrófsmælir

Eins og einlitunartæki, aðskilja litrófsmælar bylgjulengdir breiðbandsgjafa, en þeir hafa enga hreyfanlega hluta. Þess í stað eru allar aðskildar bylgjulengdir myndaðar samtímis á skynjarafylki (Mynd 6). Hver bylgjulengd er mynduð á mismunandi sett af punktum, sem gerir tækinu kleift að ákvarða hversu mikið af hverri bylgjulengd er til í breiðbandsgjafanum. Litrófsmælar eru venjulega notaðir þegar þörf er á hröðri litrófsgreiningu, vegna þess að engin þörf er á að skanna bylgjulengdir yfir skynjara, sem sparar tíma.

Mynd 6. Plane-rist litrófsmælir (efst) og íhvolfur-rist litrófsmælir (neðst) nota báðir fast rist til að aðgreina innfallsbylgjulengdir á mismunandi pixla skynjarafylkis.

Laser Tuning

Það eru nokkrar leiðir til að nota diffraction rist til að stilla litrófsútgang leysis eða þrengja úttakssvið hans. Hægt er að snúa ristinni þannig að aðeins ákveðin dreifingarröð fari úr leysinum; ristið getur verið kyrrstætt á meðan spegill snýst til að sía úttaksbandið; eða ristið getur komið í stað spegils inni í leysinum til að þrengja úttaksbandið (Mynd 7).

Mynd 7. Þessar þrjár uppsetningar sýna mismunandi leiðir sem rist er notað til að stilla leysibylgjulengd eða þrengja úttaksbylgjulengdarsviðið.

Laser púls teygja, þjöppun og mögnun

Stuttir leysirpúlsar, eins og ofurhröðir púlsar, hafa oft hátt hámarksafl sem getur skemmt viðkvæma sjónhúð og íhluti. Til að forðast þetta er stundum notað par af sveigjuristum til að teygja púlsinn, auka lengd hans og draga úr hámarksafli hans. Teygði púlsinn getur síðan farið í gegnum ljósmagnara og fengið afl án þess að skemma neina ljóshluta. Annað ristpar í öfugri stillingu getur þjappað púlstímanum eftir mögnun og framleitt stuttan, háan-kraftspúls við markið (mynd 8).

Mynd 8. Grit er hægt að nota í púlsleysiskerfum bæði til að auka púlslengd-til að koma í veg fyrir leysi-skemmdir-og til að minnka púlslengd og framleiða háa-kraftpúlsa við markið.